基于CATIA平台的箱柱三维设计

邬旭东，闫凤超，汤清之,徐思豪

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

近年来，随着集装箱船的大型化以及超大型化的技术不断成熟，集装箱船载量[1]逐渐扩大，2021年由中国船舶及海洋工程设计研究院(MARIC)设计的大力神系列船型23 000 TEU已成功下水，集装箱船的最大装箱量在近20年的时间里扩大了近5倍[2]。随着集装箱在集装箱船甲板上的堆放数量的扩大，使得箱柱上的载荷愈发复杂，对箱柱的设计如强度、质量等要求提出了更高的要求。为此，考虑基于CATIA平台，采用CAD/CAE/CAM的设计思路，提出一种适合于箱柱的三维设计体系，目标是既满足箱柱的有限元计算的要求，又提升出图的准确性、易修改性，同时使箱柱设计工作更为直观，从而达到提升设计质量，缩短设计周期的目的。

1 箱柱设计的需求

1.1 箱柱的CAD设计特点

箱柱一般布置在主甲板的两侧，主要形式分为两类(见图1)，一类用于支撑甲板最外侧的集装箱以及绑扎桥立柱，承担绑扎桥立柱的反力以及集装箱堆重，此类箱柱需要根据绑扎桥立柱的定位、箱脚的位置、船体结构的定位、甲板通道的要求等要素进行结构加强；另一类仅用于支撑集装箱，仅承担集装箱堆重，此类箱柱需要根据其上箱脚的数量进行相应的结构加强。主要针对第一种同时支撑集装箱以及绑扎桥立柱的箱柱设计展开，通过CATIA的框架设计模块(generative wireframe&surface design，GSD)来构建辅助设计(computer aided design，CAD)模型来达成。该CAD模型能够达成通过对于扎桥立柱的定位、箱脚的位置、船体结构的定位等外部条件的输入，输出一种典型的箱柱骨架形式。

图1 箱柱的两种类型

1.2 箱柱的CAM二维出图特点

箱柱的送审图纸需要达成能让船厂直接进行生产放样的程度，通过CATIA的结构设计模块(structure design，SD)来构建辅助生产设计(computer aided manufacturing，CAM)模型来出图。板材的趾端、导角、开孔、余量等，直梯、踏步、扶手等附件，船体结构的背景与箱柱的安装定位信息在出图过程中都需要表达出来；同时，箱柱的材料表需要精确的表达零件的件号与质量的统计，材料表需要将相同的零件归为同一件号，并且能够明确地区分不同件号零件之间的不同，这一点要求需要重新梳理CAM模型的结构树，会与通过外部输入条件产生输出内容的CAD模型的结构树有所不同，因此需要同时构建两套不同的结构树以适应CAD模型和CAM模型。

1.3 箱柱的CAE有限元计算特点

采用有限元计算(FEM)进行箱柱强度验证。根据船级社规范要求的网格进行计算，有限元模型使用CATIA中的结构功能设计模块(structure functional design，SFD)构建辅助送审设计(computer aided engineering，CAE)模型，CAM模型中所表示的板的趾端、导角等内容工艺内容进行简化处理。CAM模型构建完成后可以通过CATIA中的结构模型模块(structural model，SM)进行网格的划分，从而导入有限元计算软件进行强度的计算。

1.4 CAD/CAE/CAM一体化

箱柱的设计需求在传统CAD设计的基础上增加船级社需要的有限元计算送审CAE设计需求以及的用于辅助船厂生产设计CAM设计需求。根据设计需求，CAE模型在CAD模型上进行模型的有限元计算的简化，如省略保证箱柱刚度的加强筋，保留能够提供箱柱强度相关的主要板材以及贴板；而CAM模型在CAD模型的基础上进行辅助生产设计的深化，如增加供人员登上箱柱的直梯、踏步、扶手等舾装件，以及与生产工艺有关的趾端、导角等内容。因此CAD模型在满足自身需要表达信息的基础之外，还应该能具备分别转化为CAE与CAM模型的能力[3]。合理构建能在CAD/CAE/CAM模型中进行高效切换的体系是箱柱设计的关键。

2 基于CATIA平台的箱柱设计

2.1 CATIA箱柱设计思路

根据箱柱的设计特点，辅助生产设计特点以及有限元设计特点。构建基于CATIA平台的箱柱三维设计体系。这种体系能够做到：①根据立柱、箱脚、船体结构的定位快速生成箱柱的主框架平面；②在主框架平面上搭建定制化的构件模板以生成箱柱的骨架GSD模型；③GSD骨架模型能同时转化为SD模型以供出图以及SFD模型以供有限元计算。

2.2 知识驱动箱柱设计

根据以往箱柱设计经验和知识，如对于箱脚、立柱的加强方式，构件板的朝向，船体结构对箱柱的加强，与舱口围间的通道的距离等内容，使用CATIA中的知识工程(enterprise knowledge language，EKL)二次开发的功能来构造箱柱三维设计体系，其核心内容是将设计标准、规范经验等特征信息建成知识库嵌入到设计系统中，核心在于知识的推理与重用[4]。

两类箱柱中又会细分更多小类，如随着箱柱上箱脚的数量的增加而对应的箱柱结构加强的变更，如果为每一种小类的箱柱单独设计一种的体系会消耗设计人员的大量时间和精力。因此使用基于EKL的箱柱三维设计体系能让之前的设计经验与规范，通过框架参数的修改，定制化构件的增补等方式被设计人员重复利用，从而提升设计效率。

箱柱三维设计首先根据立柱与箱脚在箱柱上的定位创建出主框架所在的平面。通过EKL快速遍历立柱与箱脚所有的边界，输出箱柱的外部限制与内部限制(见图2)，这些限制再通过与甲板上的船体结构定位的交集从而组成箱柱的主要框架平面。这是后续模型搭建的基础。

图2 使用EKL快速遍历外部信息

与船体结构间的连接原则是在对齐结构已有的骨材，如整肋位处的横向加强等的基础上，根据箱脚或立柱在箱柱上的位置在甲板上添加所需要的结构加强。这些新添加的结构加强在工艺上需要考虑的问题有：箱柱趾端导角距离甲板上方立柱、舱壁等结构件的距离，箱柱趾端导角的朝向对新增结构加强的影响，这些新增的结构加强与已有的结构加强、船体外板间的距离是否方便焊接以及相关焊接方式。

这种基于EKL的箱柱三维设计体系可以总结为将外部信息(立柱、箱脚、船体结构的定位)通过CATIA的编程语言快速建立箱柱所需要的内部信息(箱柱主要框架平面)。随着外部信息的更改而导致的箱柱类型的更改可以通过EKL自动对箱柱所需的内部信息的修改，实现高效更新箱柱。

2.3 箱柱的用户自定义特征模板

箱柱中的板结构与筋构件使用的是GSD模块中的用户自定义特征(user defined feature，UDF)功能，将典型输入情况的建模过程封装成可以复用的通用性模板，从而生成箱柱的骨架模型。UDF模板具有如下的特点：①通用性，箱柱上的构件都具有通用性，将此项目中的所有构件UDF化后可以在后续的项目中继续使用，每个构件的输入条件有规律可循，对设计人员的需求仅是按照UDF的输入条件重新创建或替换相应的输入定位平面；②相对独立性，同一个UDF模板生成的每一个构件都是相对独立的，对于不同输入条件的UDF模板，其结果相似但互不干涉保持独立；③可更新性，UDF模板母版中的更改可以快速更新至每个已经由此模板生成的构件，确保由该UDF生成的构件都保持在最新状态。

对于典型的箱柱板构件，其输入条件为EKL通过外部信息生成的主框架平面，输出为箱柱在这些主框架平面上的GSD骨架模型。GSD骨架模型主要包括了箱柱上的面单元、筋单元、附件的定位坐标等。以一个面板单元为例，其输入条件为该面板单位所在的平面，上下边界(甲板位置与箱脚所在的平面)，左右边界(结构加强的位置)，在这个平面上创建草图，将需要考虑的工艺细节如导角的高度(见图3中Arch)等要素设置为控制变量。同时构建同一个面板单元的适合CAE需求的SFD模型轮廓以及CAM需求的SD模型轮廓。添加参数ModelType来控制SD模型轮廓或SFD模型轮廓，通过EKL语句按组别分类的函数来实现这两种模型轮廓的快速变换。并将这些参数添加至UDF的特征中，同时添加其余输出要素如此面上的加强筋定位、附件定位等至UDF的特征中。

图3 板构件的典型UDF模板

2.4 SD模型与SFD模型的协同路径体系

在通过EKL构建完箱柱的主要框架平面以及使用UDF模板完成箱柱的骨架模型后，便需要根据二维出图的特点，即需要考虑现场工艺的要求，生成SD模型。同时根据有限元计算的特点，生成SFD模型，见图4。

图4 箱柱的SD模型与SFD模型

这两套模型都是在箱柱的骨架模型基础上得来的，但因为各自的特点无法统一为一个模型。SD模型与SFD模型的区别在使用性方面SD模型增加了生产设计需要的板的板厚、朝向、导圆，直梯、踏步、平台、箱脚等舾装附件，为实体模型；SFD模型则省略了这些与有限元计算的无关的内容，专注于强度计算本身，为片体模型。同时，SFD模型进行有限元计算的结果需要及时通过修改箱柱的主要框架进而反应在SD模型的二维出图中，这种反馈修改最好是两套模型同时、自动进行，以避免人工重复修改可能导致的错误。

根据以上特点梳理箱柱的三维设计路径，如图5所示。首先根据外部信息通过EKL得出一个箱柱的主要框架。在箱柱的主要框架的基础上使用UDF建立箱柱的骨架模型。骨架模型分别转换为SD与SFD模型，因此SD与SFD模型依靠主要框架协同更新。

图5 箱柱协同路径示意

根据有限元计算的结果，可以有两种方式对箱柱进行修改。一种方式是修改船体结构的加强位置，这种修改方式即修改外部信息，需要与多专业进行协调。在外部信息进行修改之后，EKL能自动对箱柱的主要框架进行修改，SD与SFD模型也能同步进行更新，再将新生成的SFD模型进行有限元计算，迭代直至有限元计算满足要求；另一种方式是仅修改箱柱的结构，即在应力集中处添加肘板、修改板厚等加强方式，此种方式在SFD模型中直接修改，再反馈到SD模型中。在箱柱的SFD模型通过有限元计算后，再在相对应的SD模型中增加栏杆、梯等舾装附件。这些舾装附件需要与外部信息进行空间关系核查，保证与舱口围之间的通道满足规范要求，如无法满足通道要求则需要更改船体结构信息进行进一步的计算迭代。在完成进一步迭代后，即可以对箱柱的SD模型进行二维图纸的出图工作，出图过程中的结构树的分组采用基于CATIA V6的舾装自制件 BOM自动生成二次开发技术[5]进行从而完成整个典型箱柱的设计过程。

3 箱柱设计实例

以某型船的箱柱设计为实际案例，展示本文提出的三维箱柱设计体系，见图6。

图6 箱柱设计案例示意

在一个典型箱柱模板完成之后，后续非典型箱柱的工作对于设计人员来说需要做的是复制(Duplicate)一份当前的典型箱柱模板，根据船体结构改变外部输入信息，之后有限元计算需要的SFD模型与二维出图需要的SD模型可以在外部输入信息更改后自动生成，其余需要设计人员做的是调整附件的定位信息、保证二维图纸的图面完整性等工作量不大的任务，避免了重复性建模过程，极大地提升了设计效率以及准确性。

同时，在处理后续审图意见的时候，设计人员可以通过修改UDF的设计母版，将需要修改的内容统一修改至UDF母版中，然后更新不同种类箱柱中相对应的UDF模板，从而将审图意见仅通过一次修改就可以更新至所有的箱柱中，提升了箱柱后续修改的效率。

绑扎系统的疲劳计算目前由船舶设计院三维送审船级社，船级社根据相关规范连同船体结构一同进行计算。关于波浪载荷所带来的疲劳，对箱柱提出相关要求，比如，在特定的船长(0.5～0.7L)范围内对于大于甲板厚度1/3的箱柱需要添加最大高度为25 mm、倾斜角度小于20°的趾端。在完善相关专业分工流程及全船结构建模普及之后，箱柱的疲劳计算可以与绑扎桥，集装箱导轨一同纳入未来全船三维设计的范围内。